許利劍 張 玲 唐思佳 唐曾民

湖南工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院 湖南 株洲 412007

0 引言

過氧化氫（H2O2）具有很強的氧化性，常作為漂白劑廣泛應(yīng)用于食品包裝、醫(yī)療健康、化工等行業(yè)。另外，H2O2也是生物組織細胞中生物氧化酶的代謝產(chǎn)物之一。正常的H2O2濃度水平是維持細胞正常生理活動的關(guān)鍵；但H2O2濃度過高，會使細胞中毒，可能引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管疾病、糖尿病，甚至癌癥[1]。因此，對H2O2進行靈敏、快速檢測具有重要意義[2]。目前，檢測H2O2的方法有滴定法[3]、熒光法[5]、比色法[5]、電化學(xué)法[6]。其中，電化學(xué)法是一種非常有效的方法，具有操作簡單、檢測成本低的特點[7-10]。根據(jù)電極修飾材料，H2O2電化學(xué)傳感器可分為酶和非酶H2O2電化學(xué)傳感器[11]。經(jīng)辣根過氧化氫酶修飾的H2O2電化學(xué)傳感器具有高的選擇性和精密度，但易受環(huán)境影響（如溫度、溶液pH等），出現(xiàn)不穩(wěn)定[12]。而非酶H2O2電化學(xué)傳感器具有不易受溫度、離子濃度、溶液pH以及有毒化學(xué)物質(zhì)的影響，以及制備簡單、重現(xiàn)性佳的優(yōu)點。

一些貴金屬及其含有貴金屬的活性材料廣泛用于非酶H2O2電化學(xué)傳感器，如鉑、鈀、金、銀等。貴金屬是電化學(xué)還原H2O2的主要催化劑，催化效率高、穩(wěn)定性好[13]，但貴金屬昂貴和稀缺阻礙了其應(yīng)用[14]。因此，過渡金屬氧化物成為構(gòu)建H2O2電化學(xué)傳感器的候選材料[15]。作為一種過渡金屬氧化物，Co3O4擁有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、電子傳導(dǎo)性和催化活性，是P型半導(dǎo)體，正極末端有2個Co2+、2個Co3+和4個O2-，負極末端有2個Co3+和4個O2-，這些離子極性位點有助于檢測電荷[16-19]。Xia S.Y.等[20]采用水熱法制備了球體和立方體的Co3O4，并對比分析了Co3O4的形貌對電化學(xué)檢測H2O2性能的影響，結(jié)果表明立方體Co3O4與電極的接觸面積比球體Co3O4的大，立方體Co3O4的修飾電極具有更好的靈敏度和更低的檢出限，該電化學(xué)傳感器對H2O2檢測的靈敏度為 211.5 μA/(mmol·L-1·cm2)，線性范圍為 0.04 ～2.88 mmol/L，檢出限為1.208 μmol/L。H.Khadhraoui等[21]采用溶膠-凝膠法在ITO（indium tin oxide）玻璃基板上生長Co3O4薄膜，通過循環(huán)伏安法（cyclic voltammetry，CV）和安培法研究Co3O4修飾電極構(gòu)建的傳感器對H2O2的檢測性能，該電化學(xué)傳感器對H2O2檢測的靈敏度為 1450 μA/(mmol·L-1·cm2)，線性范圍為0.05～1.10 mmol/L，檢出限為18 nmol/L，同樣也顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性和高選擇性。

本論文采用水熱法合成片狀Co(OH)2前驅(qū)體，進一步通過煅燒得到片狀Co3O4，以片狀Co3O4為電催化活性材料，通過滴涂法構(gòu)建H2O2電化學(xué)傳感器。系統(tǒng)研究了煅燒溫度對Co3O4形貌以及H2O2檢測性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

六水氯化鈷（CoCl2·6H2O）、辛胺（octylamine）、全氟磺酸型聚合物溶液（Na fion溶液），北京伊諾凱科技有限公司；聚乙烯亞胺（polyethyleneimine，BPEI）、鹽酸多巴胺（dopamine hydrochloride，HCl-DA），北京伊諾凱科技有限公司；氫氧化鈉（NaOH）、H2O2、尿酸（uric acid，UA），阿拉丁試劑（上海）有限公司；抗壞血酸（ascorbic acid，AA），天津基準化學(xué)試劑有限公司。

掃描電子顯微鏡（SEM），TESCAN MIRA3 LMU型，捷克泰思肯（中國）有限公司；X射線衍射儀（XRD），Model D/Max-2500型，日本Rigaku公司；電化學(xué)工作站，CHI440C型，上海辰華儀器有限公司。

1.2 樣品制備

稱取2.4 g CoCl2·6H2O（物質(zhì)的量為10 mmol）溶于10 mL水中，配置濃度為1 mol/L的CoCl2溶液；將3 g BPEI溶于15 mL水中，配置質(zhì)量濃度為0.2 g/mL的BPEI溶液。先在體積為20 mL的反應(yīng)瓶中依次加入10 mL分子水、2 mL CoCl2（物質(zhì)的量為2 mmol）溶液和300 μL BPEI溶液，攪拌并立即轉(zhuǎn)入95 ℃水浴中；然后往混合液中加入1 mL辛胺（物質(zhì)的量為6 mmol），繼續(xù)攪拌并持續(xù)反應(yīng)60 min；最后離心洗滌收集樣品，并在60 ℃真空干燥箱中干燥12 h，得到粉紅色Co(OH)2粉末樣品。將得到的前驅(qū)體Co(OH)2置于管式爐中，以5 ℃/min的速率升溫至設(shè)定溫度（200, 500, 800 ℃）并維持該溫度10 h，得到黑色Co3O4粉末。

水熱過程中，辛胺能與水作用釋放OH-，進而沉淀溶液中的Co2+，得到粉紅色Co(OH)2。特定溫度下煅燒Co(OH)2得到黑色Co3O4的化學(xué)反應(yīng)式如下：

1.3 Co3O4/GCE修飾電極的制備

玻碳電極（glass carbon electrode，GCE）用尺寸為0.05 μm的氧化鋁粉末（α-Al2O3）進行拋光，拋光至GCE表面呈現(xiàn)鏡面；將拋光好的GCE依次放入分子水、乙醇超聲清洗后，自然晾干，常溫下保存；將Co3O4粉末超聲分散于水溶液制備成3 g/L的懸浮液，用移液槍取5 μL懸浮液均勻滴涂于GCE表面，紅外燈下干燥；然后用移液槍再取2 μL質(zhì)量分數(shù)為0.05%的Na fion溶液滴涂于修飾材料GCE表面，自然晾干，得修飾電極Co3O4/GCE，分別命名為200-Co3O4/GCE、500-Co3O4/GCE、800-Co3O4/GCE。

修飾電極Co3O4/GCE的制備流程如圖1所示。

圖1 修飾電極Co3O4/GCE的制備流程Fig.1 The preparation process of modified Co3O4/GCE electrode

1.4 表征與測試

用掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌；用X射線衍射儀分析樣品晶型和組成；用電化學(xué)工作站測試修飾電極電化學(xué)性能，采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極（saturated calomel electrode，SCE），對電極為Pt片電極，工作電極為Co3O4/GCE，電解液為0.1 mol/L的NaOH溶液；在有無H2O2存在的NaOH電解質(zhì)溶液（質(zhì)量濃度為0.1 mol/L ）中，電位為0～0.8 V，電位掃描速率范圍為10～100 mV/s，用循環(huán)伏安法測試工作電極；電位為0.6 V時，用計時安培法測試工作電極，檢測工作電極與H2O2濃度的線性關(guān)系及抗干擾性。

2 結(jié)果與分析

2.1 物相與形貌的表征

圖2為通過水熱法所制備的前驅(qū)體Co(OH)2和經(jīng)不同溫度煅燒后得到的產(chǎn)物Co3O4的XRD圖。

圖2 Co(OH)2和不同煅燒溫度下得到的Co3O4的XRD圖Fig.2 XRD patterns of Co(OH)2 and Co3O4 calcined at different temperatures

從圖 2a可以看出，Co(OH)2在2θ為 19.1°表現(xiàn)出極強的衍射峰，在32.4°, 37.8°, 38.5°, 51.3°,57.9°, 59.8°和61.6°出現(xiàn)了弱的衍射峰。以上衍射峰分別對應(yīng)了Co(OH)2（JCPDS No.45-0031）的（001）、（100）、（101）、（002）、（102）、（110）、（003）和（111）晶面。經(jīng)過200 ℃煅燒后，粉末顏色由粉紅色變成黑色，XRD曲線也有明顯變化（見圖 2b）。在 19.3°, 31.8°, 36.8°, 44.9°, 59.5°,65.6°出現(xiàn)了Co3O4的衍射峰，分別對應(yīng)Co3O4（JCPDS No.42-1467）的（111）、（220）、（311）、（400）、（511）和（440）晶面，表明所制備的材料為Co3O4晶體；并沒有檢測到如Co(OH)2和CoO等雜質(zhì)的衍射峰，說明得到了比較純凈的Co3O4晶體。值得注意的是，隨著煅燒溫度的升高，所得樣品的形貌改變，但并沒有影響Co3O4的晶型，說明此方法制備的Co3O4晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

圖3為前驅(qū)體Co(OH)2和經(jīng)不同溫度煅燒后得到的Co3O4的SEM圖。

圖3 Co(OH)2和不同煅燒溫度下得到的Co3O4的SEM圖Fig.3 SEM of Co(OH)2 and Co3O4 obtained at different calcination temperatures

由圖3a可知，Co(OH)2為二維的六邊形片狀結(jié)構(gòu)，單片長度在4～15 m之間，厚度在200～800 nm之間。經(jīng)過200 ℃（見圖3b）和500 ℃（見圖3c）煅燒后的Co3O4仍保持著六邊形片狀結(jié)構(gòu)，尺寸也沒有發(fā)生明顯的變化，但是可以看出，當溫度超過200 ℃片狀Co3O4表面開始產(chǎn)生裂痕現(xiàn)象。裂痕的產(chǎn)生可能是由于在煅燒過程中Co(OH)2的緩慢氧化分解產(chǎn)生的水蒸發(fā)所致，這種裂痕結(jié)構(gòu)或許可在一定程度上增加片狀Co3O4的表面積，從而提供更多的活性催化位點。經(jīng)過800 ℃煅燒后（見圖3d），片狀Co3O4存在略微的變形，表面光滑并未出現(xiàn)裂痕結(jié)構(gòu)，但是分布了孔徑較大的孔結(jié)構(gòu)。這可能是由于煅燒溫度過高，樣品經(jīng)熔融并重結(jié)晶而引起體積收縮，最終形成孔結(jié)構(gòu)。

2.2 電化學(xué)性能表征

為了研究Co3O4/GCE的電化學(xué)性能，采用循環(huán)伏安法進行測試，不同修飾電極的CV曲線如圖4所示。測試條件包括：1）電解液中H2O2的濃度為10 mmol/L；2）電位范圍為0～ 0.8 V；3）掃描速率為50 mV/s。

圖4 不同修飾電極的CV曲線Fig.4 CV diagram of different modified electrodes

彩圖

由圖4a可知，在濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液中，修飾電極200-Co3O4/GCE在0.628 V處有一明確的氧化還原峰（紫色曲線），其反應(yīng)可表示為

添加H2O2后，修飾電極Co3O4/GCE的氧化峰峰電流有明顯增強（棕色曲線），其反應(yīng)可表示為

而裸GCE電極和修飾電極Co(OH)2/GCE在有無H2O2存在下均未出現(xiàn)明顯的氧化還原峰，說明裸GCE和修飾電極Co(OH)2/GCE對H2O2并無響應(yīng)。由此可知Co3O4非酶電化學(xué)傳感器可以用于檢測H2O2。

由圖4b可知，在不同煅燒溫度下得到的修飾電極Co3O4/GCE中，修飾電極200-Co3O4/GCE的氧化峰電流最強，可見煅燒溫度對Co3O4的H2O2電化學(xué)檢測性能具有明顯影響。

以修飾電極200-Co3O4/GCE為分析對象，通過改變掃描速率，分析該修飾電極在檢測過程的電催化動力學(xué)行為。不同掃描速度下（10～100 mV/s）修飾電極200-Co3O4/GCE的CV曲線以及峰電流與掃描速率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 修飾電極200-Co3O4/GCE在0.1 mol/L NaOH電解液中的電化學(xué)行為Fig.5 The electrochemical behavior of 200-Co3O4/GCE in 0.1 mol/L NaOH solution

由圖5可知，氧化峰、還原峰峰電流的大小與掃描速率之間均表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，揭示了電極基底材料在電解液溶液中的電化學(xué)過程是擴散控制，即200-Co3O4/GCE電極表面反應(yīng)是一個典型的擴散控制過程；此外，隨著掃描速度的增大，氧化峰的峰電位右移，還原峰的峰電位左移，說明該電化學(xué)過程有動力學(xué)弛豫現(xiàn)象，是一個準可逆過程[22-23]。

為確定修飾電極200-Co3O4/GCE檢測H2O2的性能參數(shù)，本研究利用循環(huán)伏安法和計時安培法分別考察電流響應(yīng)值與H2O2濃度的線性關(guān)系，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 響應(yīng)電流峰值與H2O2濃度的線性關(guān)系Fig.6 Linear relationship between concentration of H2O2 and the peak current

彩圖

由圖6可知：1）當H2O2濃度逐漸從1 mmol/L增加至15 mmol/L，峰電流值也逐漸上升，這再次說明了修飾電極200-Co3O4/GCE對H2O2濃度有靈敏的響應(yīng)。2）在較高濃度1～15 mmol/L范圍內(nèi)，峰電流與濃度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。3）在0.6 V外加電壓下，向體系中（NaOH溶液濃度為0.1 mol/L）滴加H2O2時，電流信號也是迅速增大，此時H2O2的濃度比較低，說明電極對H2O2有較高的電催化活性。4）修飾電極200-Co3O4/GCE在較低濃度0.01～0.20 mmol/L之間響應(yīng)電流與H2O2濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為I=61.8657C+ 24.8582（R2=0.9940），其中I表示響應(yīng)電流（μA），C表示H2O2濃度。

根據(jù)上述得到的線性回歸方程，可進一步計算200-Co3O4/GCE對H2O2濃度檢測的檢測限（LOD），該檢測限值為 6.53 μmol/L（S/N=3， LOD = 3σ/S，其中σ表示在空白電解液中做10次平行測試后的標準偏差，S表示校準曲線的斜率），靈敏度為875.66 μA/(mmol·L-1·cm2)，響應(yīng)時間小于 5 s。將本電極與已經(jīng)報道的Co3O4電極的性能進行比較，結(jié)果如表1所示。由表可知，修飾電極200-Co3O4/GCE表現(xiàn)出較低的靈敏度和較低的檢測限。通過對比CO3O4的尺寸，修飾電極200-Co3O4/GCE中的Co3O4尺寸遠遠大于其他文獻中Co3O4的尺寸，尺寸較大的Co3O4顆粒擁有較小的比表面積，削弱了其催化活性，從而表現(xiàn)出較低的靈敏度和較低的檢測限。

表1 Co3O4/GCE與已報道的H2O2檢測電極的性能比較Table 1 Performance comparison of 200-Co3O4/GCE with previous H2O2 detectiom electrodes

修飾電極200-Co3O4/GCE對常見干擾物抗壞血酸（ascorbic acid，AA）、多巴胺（dopamine，DA）、尿酸（uric acid，UA）的響應(yīng)情況如圖7所示。

圖7 修飾電極200-Co3O4/GCE的抗干擾性Fig.7 Anti-interference performance of 200-Co3O4/GCE

由圖7a可知，修飾電極200-Co3O4/GCE對濃度為0.2 mmol/L的H2O2具有明顯的電流響應(yīng)，而對濃度為0.02 mmol/L的AA、DA及UA幾乎沒有峰值電流波動，且在AA、UA及DA同時存在的情況下，再次加入H2O2后，Co3O4/GCE依然對H2O2具有強烈的電流響應(yīng)；由圖7b可知，電解液中AA、DA的濃度超過0.04 mmol/L，會對H2O2的檢測造成干擾。由此可見，該修飾電極在檢測H2O2的過程中容易受干擾物的影響。由反應(yīng)式（5）可知，由于H2O2參與了Co元素的氧化還原過程，因此引起氧化還原峰值的變化，然而該氧化還原峰并非H2O2的特征峰，因此該電極表現(xiàn)出較低的選擇性。該現(xiàn)象可能也發(fā)生在其他的Co3O4電化學(xué)傳感器中。根據(jù)目前的報道，二維結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物是一種理想型的貴金屬載體，通過在表面負載少量貴金屬，可有效提高金屬氧化對H2O2的檢測性能[22]，這為改善Co3O4電化學(xué)傳感器的性能提供了有價值的參考。

3 結(jié)論

本研究通過水熱法合成前驅(qū)體Co(OH)2六方納米片，經(jīng)過煅燒處理獲得Co3O4六方納米片電催化材料，并進一步構(gòu)建出Co3O4/GCE電化學(xué)傳感器用于H2O2的檢測。最優(yōu)條件下得到的Co3O4/ GCE電極檢測H2O2時，在0.6 V外加電壓下電流響應(yīng)值最大，并且在較低濃度0.01～0.20 mmol/L之間靈敏度為 875.66 μA/（mmol·L-1cm2），檢測限為 6.53 μmol/L；由于合成得到的Co3O4六方納米片具有較大的尺寸，因而與已報道的非酶H2O2電化學(xué)傳感器比較，該修飾電極200-Co3O4/GCE并未表現(xiàn)出極佳的電化學(xué)檢測性能。

在未來的研究中，可通過負載少量的貴金屬（如Ag, Pt等），進一步提高基于Co3O4的電化學(xué)傳感器的檢測性能。